JP2007538406A - 熱電ナノワイヤ素子 - Google Patents

Abstract

マイクロエレクトロニクスダイスの少なくとも一の高熱領域からの熱を放出するナノワイヤで作製される少なくとも一の熱電素子を有する放熱素子の製造装置及び製造方法。ナノワイヤは、ビスマス含有材料で構成されて良く、最適仕様でクラスタ化されて良い。

Description

本発明は、マイクロエレクトロニクス素子の製造に関する。特に本発明はマイクロエレクトロニクスダイスのホットスポットを冷却するため、熱電ナノワイヤ素子のマイクロエレクトロニクス集合体への組み込みに関する。

高性能、低コスト、集積回路構成部品の小型化及び、集積回路のパッケージ密度の増大はコンピュータ産業において今なお継続する目標である。上述の目標が実現することで、マイクロエレクトロニクスダイスは小さくなる。それに伴って、マイクロエレクトロニクスダイスの集積回路構成部品の電力消費密度は増大し、その結果マイクロエレクトロニクスダイスの平均接合部温度が増大する。マイクロエレクトロニクスダイスの温度が高すぎる場合、マイクロエレクトロニクスダイスの集積回路は損傷を受けるかあるいは、破壊されてしまうだろう。

マイクロエレクトロニクスダイスから熱を除去する様々な装置及び方法がこれまで用いられ、現在も用いられている。そのような放熱方法の一に、マイクロエレクトロニクスダイスへの高表面積ヒートシンクの取り付けが含まれる。図21は、マイクロエレクトロニクスダイス402の活性表面のパッド（図示していない）と基板404上のランド（図示していない）との間を延在する複数のはんだ球によって基板404（たとえばインターポーザー、マザーボード等）と物理的かつ電気的に接続するマイクロエレクトロニクスダイス402（フリップチップとして図示されている）を有する集合体400を図示する。

高表面積ヒートシンク408は熱伝導性接着剤414によって、マイクロエレクトロニクスダイス402の背面412に取り付けられている。高表面積ヒートシンク408は大抵の場合、Cu、Al、これらの合金等のような熱伝導性材料から構成される。マイクロエレクトロニクスダイス402によって発生する熱は、導電性熱輸送によってヒートシンク408へ（最小の熱抵抗経路に従って）引き込まれる。

高表面積ヒートシンク408は一般的に使用されている。その理由は、熱がヒートシンクから放散される割合はヒートシンクの表面積に実質的に比例するからである。高表面積ヒートシンク408は大抵の場合、マイクロエレクトロニクスダイス402に対して実質的に垂直に延在する複数の突起416を有する。当然のことだが、突起416は、以下に限定されるわけではないが、細長い平板翼状構造及び（円）柱構造を有して良い。突起416の高表面積によって、突起416から対流放散された熱を、高表面積ヒートシンク408周囲の外気へ放出することが可能となる。しかし、たとえ高表面積ヒートシンクが様々なマイクロエレクトロニクスへの応用で利用されていても、これらのヒートシンクは、かなりの熱を発生させるマイクロエレクトロニクスダイスからの熱を完全に除去できているわけではない。

この成功しない原因の一に、マイクロエレクトロニクスダイス402内では一般に、高出力回路が同士互いに近接して設置されていることがある。高出力回路が集中することで、高熱領域すなわち“ホットスポット”が生じてしまう。現在用いられているヒートシンクによる解決法は、マイクロエレクトロニクスダイス402から熱を実質的均一に取り出すことがほとんどなく、ホットスポットを補償しない。よって、これらのホットスポットにある又はホットスポット近傍にある回路は熱的損傷を受け、信頼性及び長期の性能に深刻な影響を与える恐れがある。

従って、マイクロエレクトロニクスダイス内におけるホットスポットのような温度変化を補償しながら、マイクロエレクトロニクスダイスから熱を有効に除去する装置及び方法を開発することは好都合である。

本発明は、マイクロエレクトロニクスダイスの少なくとも一の高熱領域（つまり“ホットスポット”）からの熱を放出するナノワイヤで作製される少なくとも一の熱電素子を有する放熱素子を有する。そのような熱電素子は当技術分野において既知であり、基本的にはヒートポンプとして機能する固体素子である。典型的な素子は、二の電極によってテルル化ビスマス直方体のアレイが交互に形成されるサンドイッチ構造である。二の電極間に直流の低電圧が印加されるとき、熱は、正の電極から負の電極へ電流が流れる方向に移動する。

以降の詳細な説明では、本発明の実施が可能な特定実施例を図示する添付の図を参照する。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できる程度に十分詳細に説明される。本発明の様々な実施例は、たとえそれぞれ異なっていても必ずしも相互排他的であるとは限らないことを理解すべきである。たとえば本明細書において、一の実施例と関連づけて説明されている特定の特徴、構造又は特性は、本発明の技術的思想及び技術範囲から離れることなく他の実施例で実装することが可能である。それに加えて、各開示された実施例における個々の素子の位置又は構成は、本発明の技術的思想及び技術範囲から離れることなく修正することができる。従って以下の詳細な説明は、限定的なものとしてとらえるのではなく、本発明の技術範囲は、「特許請求の範囲」の請求項が与える全範囲の均等範囲に従って解されたものによってのみ定義される。図において、同様の参照符号は、複数の図を通じて同一又は同様の機能を示す。

図1から図21までは、本発明に従った熱電素子の製造方法及びその実施例を図示している。図1は、熱除去面104を有するマイクロエレクトロニクスダイス102の一部を図示している。孤立層106が熱除去面104上に形成される。孤立層106は、マイクロエレクトロニクスダイス102を電気的に孤立させる。当技術分野で既知となっている如何なる方法によって、孤立層106を厚さ0.1μmから1.0μmまで堆積すなわち成長させて良い。孤立層106は、適切な絶縁性材料であれば如何なる材料でも良く、以下に限定されるわけではないが、シリコン酸化物、シリコン窒化物等を含む。

図2は、孤立層106上に第1電極112を作製した図である。第1電極は、フォトリソグラフィを含む当技術分野で既知の如何なる方法によって作製されて良いが、それに限定されるわけではない。第1電極112は、たとえばCu、Al、Au、Ag、これらの合金等の如何なる適切な導電性材料であって良い。

図3で図示されているように、誘電層114は、たとえば多孔性シリコン酸化物、多孔性アルミナ等の多孔性材料を含んで良いが、それらに限定されるわけではない。多孔性アルミナ膜は、当業者に理解されているように、陽極酸化のような方法を用いて成長させることが可能である。

図4は、誘電層114の第1表面116から延在して第1電極112と接触する、少なくとも一のナノワイヤ122を図示している。“ナノワイヤ”という語は、ナノメータースケールで測定した直径が約1000nm以下のワイヤと定義される。一の実施例では、ナノワイヤ122は、約1nmから100nmの直径を有して良い。ナノワイヤ122は、第1電極112と実質的に垂直であるのが好ましい。

図5で図示されているように、ナノワイヤ122（図4参照）は、たとえば電子ビームミリング等（矢印128で図示されている）のような当業者に理解されている方法によって、誘電層114の第1表面116から延在して第1電極112と接触するナノスケール開口部124を形成することで作製できる。図6で図示されているように、導電性材料126が、誘電層114上に堆積され、導電性材料126は、ナノスケール開口部124を満たすことで第1電極112と接触する。導電性材料126は、当技術分野で既知となっている如何なる方法によって堆積されて良い。その方法には、以下に限定されるわけではないが、電子ビーム蒸着、スパッタリング、化学気相成長等が含まれる。ナノワイヤ122は、如何なる適切な材料で作製されても良い。適切な材料には、ビスマス含有材料（実質的に純粋なビスマス、テルル化ビスマス等を含む）が含まれるが、それに限定されるわけではない。過剰な導電性材料126は、たとえばエッチング又は研磨によって除去され、ナノスケール開口部124（図5参照）内部の導電性材料126を残し、図4で図示されているような離散的なナノワイヤ122を作製する。

誘電層114に多孔性材料が使用される場合、ナノワイヤ122に用いられる材料は直接誘電層114に堆積させることが可能で、材料は多孔性誘電層114の気泡を介して延在する。たとえば図7で図示されているように、第1電極112の反対側に設けられているマスク開口部134を有する誘電層114上で、フォトレジストのようなマスク132のパターニングは可能である。導電性材料126はマスク132上に堆積され、マスク開口部134へ入り込むことで誘電層114の一部と接触し、図8で図示されているように多孔性誘電層114の気泡（図示していない）を介して延在して第1電極112と接触する。過剰な導電性材料126及びマスク132は、たとえばエッチング又は研磨によって除去され、気泡内部の導電性材料126を残し、図4で図示されているような離散的なナノワイヤ122を作製する。

図9は、ナノワイヤ122と接触する誘電層の第1表面上に作製される第2電極136を図示している。第2電極136は、フォトリソグラフィを含む当技術分野で既知の如何なる方法によって作製されて良いが、それに限定されるわけではない。第2電極136は、たとえばCu、Al、Au、Ag、これらの合金等の如何なる適切な導電性材料であって良い。

図10は完成した熱電ナノワイヤ素子140を図示している。直流電源144から延在する負に帯電した導線（線142で図示されている）は第2電極136と接続して良く、直流電源144から延在する正に帯電した導線（線146で図示されている）は第1電極112と接続して良い。よって熱は、電流の流れる方向である第1電極112から第2電極136へ移動する。当然のことだが、正に帯電した導線146は第1電極112の作製中に、及び負に帯電した導線142は第2電極136の作製中にそれぞれ作製されて良い。

図11で図示されているように、界面152は、第2電極136及び誘電層114の一部の上に設けられて良く、たとえばヒートスラグや微少ヒートシンク等の放熱素子154は、熱界面材料152上に設けられることで、第2電極136へ運ばれる熱を除去し、マイクロエレクトロニクスダイス102から熱を放散することができる。界面152は熱界面材料であって良く、ヒートシンクは、（たとえばCuのような金属の堆積によって）第2電極136等と接触した状態で形成される。放熱素子154は以下に限定されるわけではないが、たとえばCu、Al、Au、Ag、これらの合金等を含む如何なる熱電性材料であって良い。そのような構成では、界面152及び/又は、放熱素子154が導電性の場合、負に帯電した導線142は界面152及び/又は放熱素子154と接続して良い。それにより、熱電ナノワイヤ素子140の回路が完成する。

当然のことだが、必要に応じて複数のナノワイヤ素子140をマイクロエレクトロニクスダイス102上に配備して良いと考えられる。さらに図12で図示されているように、たとえばクラスタ162及びクラスタ164のような多数のナノワイヤからなるクラスタが、単一の第1電極112と単一の第2電極136との間に設けられて良い。さらに熱電ナノワイヤ素子は、マイクロエレクトロニクスダイス102上の熱プロファイルを特定の状態にするように調節することが可能である。図13（マイクロエレクトロニクスダイス102の上面図）で図示されているように、マイクロエレクトロニクスダイス102は熱プロファイルを有して良い。熱プロファイルは図示されているように、高熱領域172、高熱領域172に囲まれている中間的熱領域174、中間的熱領域174に囲まれている低熱領域176及びマイクロエレクトロニクスダイス102の他の部分である冷却領域178を有する。図14で図示されているように、ナノワイヤ122は高熱領域では密に、中間的熱領域174ではそれよりも密ではない状態で、低熱領域ではそれよりさらに密ではない状態で配備されて良く、そして冷却領域では配備されない。密に配備されたナノワイヤは、密に配備されていない領域のナノワイヤよりも多くの熱を除去する。よって、熱電ナノワイヤ素子170は、特定用途向けに調節することが可能である。

ナノワイヤの低次元性（つまり1次元に近い）が素子の熱電特性を改善することは明らかであり、よって既知の熱電冷却装置よりもより効率的な冷却が実現される。

本発明は、既知の冷却系に対して複数の利点を有する。その利点とは以下に限定されるわけではないが、1)熱伝導率が有限の値をとるため、界面に温度勾配が生じるが、ダイス上に冷却用装置を直接集積することで、マイクロエレクトロニクスダイスと放熱素子との間の界面の数を減少させる、2)次元の減少によってナノワイヤの熱電特性が改善されることで冷却用装置の効率が増大し、同じ量の熱を取り出すのに、既知の熱電冷却装置が必要とする電力よりも小さくすることができることである。

冷却（ペルティエ効果）及び発生（ゼーベック効果）での熱電素子の性能は、メリットに関する無次元量”ZT”で評価される（Tは絶対温度で、Z=α/(ρλ)。ここで、αはゼーベック係数、ρは電気抵抗で、λは熱伝導率である）。マクロスコピックな素子でのZTの典型的な値は、1に近い値である。一般に、ZTは構造の次元が小さくなることで増大する。1.5以上の値は、本発明のワイヤの直径がナノメートルスケールに接近することで実現可能となる。当業者には明らかなように、ナノワイヤの長さは、誘電層の熱伝導率及びナノワイヤの熱電特性に基づいて選択されて良い。これは最適動作となりうるものであり、出力、出力分布及び全パッケージ抵抗に依存する。

ナノスケールの熱電ワイヤの性能は、増大したZTの効果を決定することでモデル化できる。図15は、ナノワイヤ長の関数であるパワー入力範囲での、ZT=1.0を示すナノワイヤで実現可能な温度減少を図示している。図16は、ナノワイヤ長の関数であるパワー入力範囲での、ZT=1.5を示すナノワイヤで実現可能な温度減少を図示している。図15及び図16で図示されているように、ナノワイヤを使用することで、マイクロエレクトロニクスダイス上の最大温度が大きく減少し、これらの低温を実現するのに必要なパワー入力が小さくなる。最も大きな温度減少を引き起こすワイヤ長は、ナノワイヤのZT値にも依存する。

図17は、接合部温度(Tj)が約102.5℃のときの、銅のヒートスプレッダ単独の場合に対するナノワイヤを銅のヒートスプレッダと接続した熱電素子で使用する利点のモデルを図示している。熱電ナノワイヤ素子を使用することで約11.73Kの接合部温度減少が実現し、それは約11%の温度減少である。図17で示されたモデルは、1cm角のマイクロエレクトロニクスダイスのパラメータで生成される。そのマイクロエレクトロニクスダイスには均一に100W/cm²の出力が与えられ、800W/cm²の出力が与えられた中心部での0.5mm角の“ホットスポット”が含まれる。熱界面材料及びヒートシンクは、マイクロエレクトロニクスダイス背面が接触するようにモデル化されていた。熱電ナノワイヤ素子もまた、マイクロエレクトロニクスダイス背面に接触するように設計された。熱電ナノワイヤ素子は、3mm角を測定するように設計され、厚さ10μmである。素子の断面領域は、熱電冷却装置の設置面積（つまり3mm角の設置面積）の約80%を占める。熱電素子の利点を表す指数”ZT”は3になるように設計され、マイクロエレクトロニクスダイス周辺の温度は25℃になるように設計された。

図18は、マイクロエレクトロニクスダイス102（フリップチップとして図示されている）上に熱電ナノワイヤ素子層182（前述したように、熱電ナノワイヤ素子（図示していない）を含む）を有する本発明のマイクロエレクトロニクス集合体180を図示している。放熱素子154は、熱電ナノワイヤ素子層182と接触した状態で設置されて良い。マイクロエレクトロニクスダイス102は、複数のはんだ球186によって物理的かつ電気的に基板184と接触して良い。放熱素子154は、その素子から延在する複数の突起188を有して良い。突起188は一般的には、放熱素子102の作製中にモールドされる又は、作製後に放熱素子に機械加工される。当然のことだが、突起188は以下に限定されるわけではないが、細長い平板翼状構造及び（円）柱構造を有して良い。

本発明によって作製されるパッケージは、図19で図示されているような携帯電話又は個人情報端末(PDA)のようなハンドヘルド機器210に使用することが可能である。ハンドヘルド機器210は、少なくとも一のマイクロエレクトロニクス素子集合体230を有する素子基板220を有して良い。そのような集合体には以下に限定されるわけではないが、中央処理装置(CPUs)、チップセット、メモリ素子、ASICs等が含まれ、これらは、筐体240内部に、上述の少なくとも一の熱電ナノワイヤ素子140（図示していない）及び/又は、熱電ナノワイヤ素子170（図示していない）を有する。素子基板220は、キーパッド250のような入力装置、LCDディスプレイ260のようなディスプレイ装置のような様々な周辺素子に取り付けられて良い。

本発明によって作製されたマイクロエレクトロニクス素子集合体はまた、図20で図示されているようなコンピュータシステム310でも使用可能である。コンピュータシステム310は、少なくとも一のマイクロエレクトロニクス素子集合体330を有する素子基板すなわちマザーボード320を有して良い。そのような集合体には以下に限定されるわけではないが、中央処理装置(CPUs)、チップセット、メモリ素子、ASICs等が含まれ、これらは、筐体すなわち胴体340内部に、上述の少なくとも一の熱電ナノワイヤ素子140（図示していない）及び/又は、熱電ナノワイヤ素子170（図示していない）を有する。素子基板すなわちマザーボード320は、キーボード350のような入力装置及び/又はマウス360及び、CRTモニタ370のようなディスプレイ装置のような様々な周辺素子に取り付けられて良い。

本発明の実施例を詳細に説明したことで、「特許請求の範囲」における請求によって定義される本発明は、上述の特定詳細では限定されず、本発明の実施例の明白なバリエーションの多くは、本発明の技術的思想から離れることなく可能なものである。

本発明に従った、上に孤立層が設けられているマイクロエレクトロニクスダイスを側面図である。 本発明に従った、図1の孤立層上に形成された第1電極の側面図である。 本発明に従った、図2の第1電極及び、孤立層の一部の上に設けられている絶縁層の側面図である。 本発明に従って、図3の誘電層を介して作製されるナノワイヤの側面図である。 本発明に従って、誘電層内部に開口部を形成することで、誘電層を介して作製される様子の側面図である。 本発明に従って、誘電層内部に開口部を形成することで、誘電層を介して作製される様子の側面図である。 本発明に従って、誘電層内の気泡を介してナノワイヤが作製される様子の側面図である。 本発明に従って、誘電層内の気泡を介してナノワイヤが作製される様子の側面図である。 本発明に従った、誘電層上に形成される第2電極の側面図である。 本発明に従った、熱電ナノワイヤ素子の側面図である。 本発明に従った、界面で熱電ナノワイヤ素子と接触する放熱素子の側面図である。 本発明に従った、熱電ナノワイヤ素子のナノワイヤクラスタの側面図である。 本発明に従った、マイクロエレクトロニクスダイス及びその上面熱プロファイルの上面図である。 本発明に従った、線14-14に沿ったマイクロエレクトロニクスダイスの熱プロファイルに適合するように変化したナノワイヤ密度の側面図である。 本発明に従った、ナノスケール熱電素子を使用することで、性能が向上したことを示すグラフである。 本発明に従った、ナノスケール熱電素子を使用することで、性能が向上したことを示すグラフである。 本発明に従った、ナノスケール熱電素子を使用することで、接合部温度が改善されたことを示すグラフである。 本発明に従った、基板に取り付けられているマイクロエレクトロニクスダイスの側面図である。 本発明に従った、本発明のマイクロエレクトロニクス集合体を集積するハンドヘルド素子の斜視図である。 本発明に従った、本発明のマイクロエレクトロニクス集合体を集積するコンピュータシステムの斜視図である。 当技術分野で既知の、基板に取り付けられているマイクロエレクトロニクスダイスの側面図である。

Claims (25)

1. 第1電極；
   前記第1電極に隣接する誘電材料；
   前記誘電材料をはさんで前記第1電極の反対側にある第2電極；及び、
   前記第1電極と前記第2電極との間を延在する少なくとも一のナノワイヤ；
   を有する熱電装置。
2. 前記少なくとも一のナノワイヤがビスマス含有材料を有することを特徴とする、請求項1に記載の装置。
3. 前記誘電材料が多孔性誘電材料を有することを特徴とする、請求項1に記載の装置。
4. 前記多孔性誘電材料が多孔性アルミナを有することを特徴とする、請求項3に記載の装置。
5. 前記第1電極と電気的に接続する、負に帯電した導線；及び、
   前記第2電極と電気的に接続する、正に帯電した導線；
   をさらに有する、請求項1に記載の装置。
6. 動作時において、他の領域よりも高い放熱レートを有する少なくとも一の領域を有するマイクロエレクトロニクスダイス；
   前記高熱領域を含む前記マイクロエレクトロニクスダイスに隣接する第1電極；
   前記第1電極に隣接する誘電材料；
   前記誘電材料をはさんで前記第1電極の反対側にある第2電極；及び、
   前記第1電極と前記第2電極との間を延在する複数のナノワイヤ；
   を有する熱電パッケージ。
7. 前記ナノワイヤがより高密度で前記少なくとも一のより高放熱レート領域に隣接して設けられることを特徴とする、請求項6に記載のパッケージ。
8. 前記少なくとも一のナノワイヤがビスマス含有材料を有することを特徴とする、請求項6に記載のパッケージ。
9. 前記誘電材料が多孔性誘電材料を有することを特徴とする、請求項6に記載のパッケージ。
10. 前記多孔性誘電材料が多孔性アルミナを有することを特徴とする、請求項9に記載のパッケージ。
11. 前記第1電極と電気的に接続する、負に帯電した導線；及び、
    前記第2電極と電気的に接続する、正に帯電した導線；
    をさらに有する、請求項6に記載のパッケージ。
12. 第1電極を供する工程；
    前記第1電極に隣接して誘電材料を設ける工程；
    前記誘電材料を貫通する、少なくとも一のナノスケール開口部を形成する工程；
    前記少なくとも一のナノスケール開口部内部に導電性材料を供給することで、前記第1電極と接触する少なくとも一のナノワイヤを作製する工程；及び、
    前記誘電材料をはさんで前記第1電極の反対側に、前記少なくとも一のナノワイヤと接続する第2電極を作製する工程；
    を有する方法。
13. 前記の導電性材料を供給する工程は、ビスマス含有材料を供給する工程を有することを特徴とする、請求項12に記載の方法。
14. 前記の誘電材料を供給する工程は、多孔性誘電材料を供給する工程を有することを特徴とする、請求項12に記載の方法。
15. 前記の多孔性誘電材料を供給する工程は、多孔性アルミナを供給する工程を有することを特徴とする、請求項14に記載の方法。
16. 前記第1電極と電気的に接続する、負に帯電した導線；及び、
    前記第2電極と電気的に接続する、正に帯電した導線；
    をさらに有する、請求項12に記載の方法。
17. 第1電極を供する工程；
    前記第1電極に隣接して多孔性誘電材料を設ける工程；
    前記多孔性誘電材料に導電性材料を供給し、前記導電性材料を前記の多孔性材料の少なくとも一の開口部で延在させることによって、前記第1電極と接触する少なくとも一のナノワイヤを作製する工程；及び、
    前記誘電材料をはさんで前記第1電極の反対側に、前記少なくとも一のナノワイヤと接続する第2電極を作製する工程；
    を有する方法。
18. 前記の多孔性誘電材料に導電性材料を供給する工程は、前記多孔性誘電材料にビスマス含有材料を供給する工程を有することを特徴とする、請求項17に記載の方法。
19. 前記の多孔性誘電材料を供給する工程は、多孔性アルミナを供給する工程を有することを特徴とする、請求項19に記載の方法。
20. 前記第1電極と電気的に接続する、負に帯電した導線；及び、
    前記第2電極と電気的に接続する、正に帯電した導線；
    をさらに有する、請求項17に記載の方法。
21. 筐体内部にある外部基板；
    前記外部基板と結合する入力装置；
    前記外部基板と結合するディスプレイ装置；及び、
    前記外部基板に取り付けられている少なくとも一のマイクロエレクトロニクス素子パッケージであって：
    第1電極；
    前記第1電極に隣接する誘電材料；
    前記誘電材料をはさんで前記第1電極の反対側にある第2電極；及び、
    前記第1電極と前記第2電極との間を延在する少なくとも一のナノワイヤ；
    を有するパッケージ；
    を有するエレクトロニクスシステム。
22. 前記少なくとも一のナノワイヤがビスマス含有材料を有することを特徴とする、請求項21に記載のシステム。
23. 前記誘電材料が多孔性誘電材料を有することを特徴とする、請求項21に記載のシステム。
24. 前記多孔性誘電材料が多孔性アルミナを有することを特徴とする、請求項23に記載のシステム。
25. 前記第1電極と電気的に接続する、負に帯電した導線；及び、
    前記第2電極と電気的に接続する、正に帯電した導線；
    をさらに有する、請求項21に記載のシステム。

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